孔俊超 王 偉 王 偉 劉 焜 王 超

1.巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院,巢湖,2380002.合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所,合肥,230009

0 引言

通常,研究者對(duì)試驗(yàn)后的試件形貌進(jìn)行分析來(lái)推測(cè)出磨損過(guò)程和磨損機(jī)理，缺乏可靠性，難以揭示摩擦磨損過(guò)程的實(shí)質(zhì)[1-3]。光學(xué)原位觀察法能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地觀察摩擦界面粉末潤(rùn)滑層的狀況，能直接得出整個(gè)磨損過(guò)程的試件形貌變化過(guò)程，有助于新的摩擦磨損機(jī)理、潤(rùn)滑理論等摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論的建立。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在原位觀察試驗(yàn)這一領(lǐng)域付出了巨大的努力。ROBERTS[4]利用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)了光滑橡膠和玻璃之間液體潤(rùn)滑膜的黏度、試件間的黏附力、膜厚等。陳卓君等[5]用帶有CCD數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)顯微鏡、具有圖像采集系統(tǒng)的球-盤(pán)式接觸摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，動(dòng)態(tài)觀察玻璃與鋼對(duì)磨表面的摩擦磨損過(guò)程，分析不同滑動(dòng)速率的磨損量、潤(rùn)滑膜的產(chǎn)生和破壞形式。SHEASBY等[6-7]采用顯微鏡觀察玻璃和鋼對(duì)磨表面的磨損情況，提出實(shí)際磨損過(guò)程分為4個(gè)過(guò)程，其中磨粒磨損是主要的磨損形式。EINTHOVEN等[8]對(duì)藍(lán)寶石和鋼球?qū)δミ^(guò)程中顆粒移動(dòng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，分析表明粉末潤(rùn)滑與油潤(rùn)滑的摩擦學(xué)行為具有相似的性質(zhì)，最后與建立的粉末潤(rùn)滑模型相驗(yàn)證，嘗試說(shuō)明粉末潤(rùn)滑的機(jī)理。

目前光學(xué)原位觀察法主要用于二體摩擦界面的觀測(cè)[9-12]，而對(duì)三體摩擦界面粉末潤(rùn)滑層的觀測(cè)相對(duì)較少。本文利用光學(xué)原位觀察法實(shí)時(shí)觀測(cè)粉末層的變化，直接得出整個(gè)磨損過(guò)程的試件形貌變化過(guò)程，進(jìn)一步分析粉末層的破壞形式、破壞過(guò)程、真實(shí)接觸面積比。

1 試驗(yàn)裝置及方案

試驗(yàn)采用HT-SURF10000型輪廓儀對(duì)上試件粗糙度進(jìn)行測(cè)量；用帶有CCD數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)顯微鏡并采用相關(guān)軟件對(duì)試件表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

原位觀察試驗(yàn)機(jī)如圖1所示，下試件(玻璃)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程為6～24 m，玻璃上有均勻分布的平均粒徑為30 μm的松散石墨粉末，外載荷的大小通過(guò)增減砝碼進(jìn)行調(diào)整。玻璃為光學(xué)透明件，通過(guò)倒置的顯微鏡或攝像機(jī)可觀察接觸表面中粉末的分布情況。利用計(jì)算機(jī)對(duì)摩擦界面的圖像進(jìn)行采集并儲(chǔ)存，并針對(duì)采集的圖像進(jìn)一步分析接觸表面的摩擦磨損情況。

圖1 原位觀察試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of in situ observationtest machine

安裝在原位觀察試驗(yàn)機(jī)的上試件為銅合金H62方片，尺寸為40 mm×40 mm×1 mm。為研究試件表面形貌的影響，采用目數(shù)為1 500、800、400的砂紙打磨得到粗糙度不同的試樣，利用HT-SURF10000型輪廓儀測(cè)量出試件的平均粗糙度值，未打磨試樣的粗糙度最小，其Ra為0.341 μm，細(xì)砂紙(1 500目)打磨試樣的粗糙度Ra為0.786 μm，而粗砂紙(400目)打磨試樣的粗糙度最大，其Ra為1.038 μm。下試樣為7105磨砂有機(jī)玻璃，尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在不同工況下，觀察1 min內(nèi)試件表面的粉末層變化情況，了解粉末破壞的整個(gè)過(guò)程，并對(duì)試件粗糙度、粉末量、載荷、滑移速率4個(gè)因素對(duì)不同階段的影響進(jìn)行分析。

2.1 粉末層破壞的主要形式

粉末層破壞的階段主要包括以下幾種情況。

(1)起始階段粉末完整，為粉末完整期。

(2)如圖2a所示，粉末層開(kāi)始破壞，出現(xiàn)局部破壞，為局部區(qū)域破壞階段。局部區(qū)域破壞主要發(fā)生在粉末層破壞的起始階段，通常發(fā)生在粉末層的中部而不是邊緣，這可能是由于起始階段，上下試件存在速率差和正壓力不均勻使得石墨的承載不均勻，尤其是中部區(qū)域的承載可能相對(duì)較大，該區(qū)域的粉末層開(kāi)始被破壞。

(3)如圖2b所示，局部破壞區(qū)域逐漸變大，為局部破壞區(qū)域擴(kuò)散階段。粉末層局部區(qū)域被破壞后向四周開(kāi)始擴(kuò)散，其他區(qū)域也同時(shí)出現(xiàn)局部破壞的現(xiàn)象。

(4)如圖2c、圖2d所示，接觸界面的粉末層破壞嚴(yán)重，粉末層基本全被破壞，為完全破壞階段。隨著局部區(qū)域的逐漸擴(kuò)大，整個(gè)摩擦接觸面的粉末層基本都被破壞，上下試件直接接觸，基本由微凸體直接承載。

(5)如圖2e所示，大部分區(qū)域的粉末層被破壞，但沿著紋理方向粉末黏附在其表面，為粉末黏附階段。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在重載高速的情況下，主要是因?yàn)榇植诙容^大時(shí)，粉末在重載下被迅速填覆在劃痕中形成粉末層，由于壓力較大,粉末層在劃痕的密集度可能相對(duì)較大而不易被破壞，降低了上下試件之間的微凸體直接接觸的可能性，可以有效降低試件之間的磨損。

圖2 粉末層破壞的主要形式Fig.2 The main form of powder layer damage

(6)如圖2f、圖2g所示，黏附的粉末逐漸消失，最終分布在試件劃痕方向的粉末在剪切力作用下減少，但是仍有部分粉末填覆在紋理中，為粉末完全破壞階段。

以上粉末層破壞的5個(gè)階段(圖3)與文獻(xiàn)[6,13]中粉末層生命周期分為完整、輕微破損、嚴(yán)重剝落、完全破壞4個(gè)階段相似。

圖3 粉末層破壞過(guò)程Fig.3 The process of powder layer damage

2.2 粉末層的影響因素

2.2.1粗糙度

取不同粗糙度的試件進(jìn)行試驗(yàn)研究,粉末量為3 g，載荷為20 N，滑移速率為0.4 m/s。如圖4a所示，粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時(shí)，粉末層的破壞形式包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、完全破壞4個(gè)階段。如圖4b所示，與粗糙度較小時(shí)粉末層破壞形式略有不同，粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時(shí)，粉末的破壞形式包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、粉末黏附、完全破壞5個(gè)階段?？赡苁且?yàn)榇植诙容^大的試件表面劃痕可儲(chǔ)存較多粉末，此時(shí)壓力較大，粉末在壓力作用下容易形成密集度大的粉末塊，出現(xiàn)粉末黏附在摩擦界面的現(xiàn)象，即填隙效應(yīng)[14]。這表明只有表面具有一定粗糙度的試件才具有黏附階段，即具有一定粗糙度是產(chǎn)生黏附效應(yīng)的必要條件之一，但是具體數(shù)值本文中尚未明確給出。同時(shí)可以看出，粗糙度較小的試件局部破壞階段粉末層破壞反而更嚴(yán)重，但是局部擴(kuò)散階段，粗糙度較大試件的粉末層破壞擴(kuò)散的較迅速。

(a)Ra=0.341 μm

(b)Ra=1.038 μm圖4 不同粗糙度的摩擦界面粉末層變化(粉末量3 g)Fig.4 Variation of powder layer in friction interface of different roughness(powder amount 3 g)

2.2.2粉末量

對(duì)不同粉末量下進(jìn)行試驗(yàn)研究，載荷為20 N，滑移速率為0.4 m/s，粉末量為1 g、3 g。如圖4a及圖5a所示，粗糙度較小時(shí)，無(wú)論粉末量多或少，粉末的破壞形式一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、完全破壞4個(gè)階段。粉末量少時(shí)粉末層較薄容易破壞，粉末層破壞更迅速。如圖4b和圖5b所示，粗糙度較大時(shí)，不論粉末量多或少，粉末的破壞形式也一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、粉末黏附、完全破壞5個(gè)階段。粉末較少時(shí)，相對(duì)而言粉末層破壞更迅速，同時(shí)粉末的黏附階段較弱并迅速消失，主要是因?yàn)榉勰┹^少，填隙效果差，試件表面不易產(chǎn)生黏附階段。說(shuō)明粉末量的多少對(duì)黏附效應(yīng)的產(chǎn)生沒(méi)有影響但是對(duì)黏附效應(yīng)的程度有一定的影響。同時(shí)可以看出，粉末量較少的試件局部破壞、局部擴(kuò)散速度都遠(yuǎn)高于粉末較多的試件。

(a)Ra=0.341 μm

(b)Ra=1.038 μm圖5 不同粗糙度的摩擦界面粉末層變化(粉末量1 g)Fig.5 Variation of powder layer in friction interface of different roughness(powder amount 1 g)

2.2.3載荷

不同載荷下進(jìn)行試驗(yàn)研究，粉末量為3 g，滑移速率為0.4 m/s，試驗(yàn)過(guò)程施加的載荷為恒定載荷(5 N、20 N)。如圖6所示，當(dāng)載荷較小(5 N)時(shí)，無(wú)論粗糙度大小，粉末的破壞形式和圖4a一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、完全破壞4個(gè)階段，只是粉末層破壞較為緩慢，這可能是因?yàn)檩d荷較小(5 N)時(shí)，粉末起始量較多，剪切力較小，粉末層破壞不嚴(yán)重。而載荷較大(20 N)時(shí)，如圖4b所示，粉末層破壞過(guò)程包含粉末黏附階段。這表明只有載荷足夠大才能產(chǎn)生黏附階段，即具有一定載荷是能否產(chǎn)生黏附階段的必要條件之一。同時(shí)載荷變化時(shí)，局部破壞階段粉末層破壞差距并不大，而對(duì)局部破壞擴(kuò)散階段有較大的影響。

2.2.4滑移速率

(a)Ra=0.341 μm

(b)Ra=1.038 μm圖6 不同粗糙度的摩擦界面粉末層變化(載荷5 N)Fig.6 Variation of powder layer in friction interface of different roughness(load 5 N)

在不同滑移速率下進(jìn)行試驗(yàn)研究，粗糙度均為1.038 μm，滑移速率為0.1 m/s、0.2 m/s、0.4 m/s。如圖7a、圖7b所示，粉末量為3 g，載荷較小(5 N)時(shí)，不論滑移速率大或小，粉末的破壞形式包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、完全破壞4個(gè)階段；圖7c、圖7d中粉末量較小(1 g)時(shí)，不同滑移速率(0.1 m/s,0.2 m/s)下，粉末的破壞形式與圖5b基本一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、粉末黏附、完全破壞5個(gè)階段?；扑俾试酱?，粉末黏附階段粉末層填充效果越好，說(shuō)明滑移速率對(duì)是否具有黏附效應(yīng)沒(méi)有影響但是對(duì)黏附效應(yīng)的程度有一定影響。同時(shí)滑移速率較大且載荷較大時(shí)，粉末層局部破壞階段、局部破壞擴(kuò)散階段相對(duì)較晚發(fā)生，這可能是由于滑移速率大且載荷較大時(shí)，粉末被迅速擠壓到劃痕的凹坑中，填隙效應(yīng)明顯，最終沿著紋理方向會(huì)分布粉末，摩擦界面的減摩抗磨效果較好。載荷較小時(shí)，因?yàn)閴毫^小粉末層不能被擠壓到劃痕的凹坑中，填隙效應(yīng)不明顯，滑移速率越大局部破壞和擴(kuò)散都較快。

2.3 真實(shí)接觸面積比的影響因素

真實(shí)接觸面積比對(duì)試件的磨損有重要的影響[15]，真實(shí)接觸面積比[9]是摩擦界面的實(shí)際接觸面積與名義接觸面積比值。本文采用粉末層的覆蓋面積與名義接觸面積來(lái)表示真實(shí)接觸面積比，可利用MATLAB對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度處理、二值化處理、閾值分割,利用迭代法計(jì)算二值化圖像的真實(shí)接觸面積比。

2.3.1試件表面粗糙度

試件表面粗糙度不同，承載情況將出現(xiàn)較大差異，粉末的分布情況也會(huì)因此而改變，導(dǎo)致摩擦界面的載荷分布不均，試件表面的摩擦磨損情況不一致，而沒(méi)有粉末承載的部分區(qū)域摩擦磨損情況可能會(huì)很?chē)?yán)重。如圖8a所示，載荷較小(5 N)時(shí)，起始階段(0～10 s)粉末量較多(3 g)且分布均勻，在粉末與微凸體的剪切力的作用下，試件表面形成粉末潤(rùn)滑層，粗糙度不同的試件真實(shí)接觸面積比都達(dá)到80%以上，粉末承載區(qū)域較大，試件的摩擦磨損都較小，處于粉末局部破壞階段。10 s之后不同粗糙度試件的真實(shí)接觸面積比迅速減小，尤其是粗糙度較大(Ra=1.034 8 μm)試件的真實(shí)接觸面積比下降最快，其粉末覆蓋面積只有31%左右,而沒(méi)有粉末層覆蓋的區(qū)域處于干摩擦狀態(tài)，試件表面微凸體直接接觸承載，導(dǎo)致試件的磨損情況相對(duì)較嚴(yán)重，處于局部破壞擴(kuò)散和完全破壞階段。

(a)載荷為5 N,滑移速率為0.1 m/s,粉末量3 g

(b)載荷為5 N,滑移速率為0.2 m/s,粉末量3 g

(c)載荷為20 N,滑移速率為0.1 m/s,粉末量1 g

(d)載荷為20 N,滑移速率為0.2 m/s,粉末量1 g圖7 不同滑移速率的摩擦界面粉末層變化Fig.7 Variation of powder layer in friction interface of different slip rate

當(dāng)載荷較大時(shí)，如圖8b所示，起始階段不同粗糙度試件的真實(shí)面積也相對(duì)較大，但是粗糙度較小試件(Ra=0.341 μm)的真實(shí)接觸面積反而最小為82%，這可能是因?yàn)榉勰┨畛湓谖⒖又性缴?，試件表面越不容易形成粉末?rùn)滑層，填隙效應(yīng)不明顯，粉末的覆蓋面積相對(duì)較小，局部破壞的可能性增大，微凸體直接接觸面積增大，試件磨損相對(duì)嚴(yán)重。局部破壞階段之后，粗糙度較大試件(Ra=1.038 μm)的真實(shí)接觸面積迅速減小，這是因?yàn)榇植诙容^大試件表面微凸體峰值更高，更容易發(fā)生塑性變形，同時(shí)粉末與微凸體相互作用使得試件的粉末層迅速破壞，試件的真實(shí)接觸面積比迅速減小，試件的磨損情況相對(duì)較嚴(yán)重。

(a)載荷為5 N

(b)載荷為20 N圖8 試件表面粗糙度對(duì)真實(shí)面積比影響的曲線Fig.8 Effection of specimen surface roughness on the ratio of real area

2.3.2粉末量

粉末量的多少直接決定粉末層的特性，粉末量相對(duì)較多，粉末能夠及時(shí)供給，減少微凸體直接接觸，使得試件之間的接觸壓力變小，大大提高粉末的潤(rùn)滑性能。如圖9所示，粉末量較多(3 g)同時(shí)試件表面粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時(shí)，試件表面形成的粉末潤(rùn)滑層具有很好的潤(rùn)滑效果，試件表面的真實(shí)接觸面積減小但是變化率相對(duì)較小。當(dāng)粉末量較少(1 g)同時(shí)試件表面粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時(shí)，起始階段(0～10 s)真實(shí)接觸面積較大，可達(dá)到90%，但是20 s后真實(shí)接觸面積比迅速減?。?0 s之后處于局部破壞擴(kuò)散階段，粉末層迅速破壞，試件磨損較嚴(yán)重。而粉末相對(duì)較多(3 g)同時(shí)試件表面粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時(shí)，起始階段(0～10 s)真實(shí)面積比反而最大為95%，可能是表面粗糙時(shí)試件的微凸體峰值更高更容易儲(chǔ)存粉末，填隙效應(yīng)良好，形成粉末潤(rùn)滑層，潤(rùn)滑效果較好；40 s之后，試件的真實(shí)接觸面積比迅速減小為40%。尤其當(dāng)粉末量較小(1g)同時(shí)試件表面粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時(shí)，試件從起始階段就開(kāi)始嚴(yán)重磨損。這說(shuō)明試件的表面粗糙度和粉末量的多少都直接關(guān)系到粉末層的形成，粉末量較多時(shí)，表面相對(duì)粗糙起始階段反而潤(rùn)滑效果越好，但粉末較少時(shí)則直接進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段。局部破壞階段，無(wú)論粉末量的多少，表面粗糙度是主要影響因素，越粗糙則真實(shí)接觸面積比越小，即磨損越嚴(yán)重。

圖9 粉末量對(duì)真實(shí)接觸面積比影響的曲線Fig.9 Effection of powder on the ratio of real area

2.3.3載荷

通常載荷越大，粉末的承載力越大，同時(shí)剪切力也越大，粉末層越容易被破壞，真實(shí)的接觸面積變小。如圖10a所示，當(dāng)載荷較小(5 N)同時(shí)試件表面粗糙度較小(Ra=0.341 μm)時(shí)，雖然滑移速率v相差較大但是真實(shí)接觸面積比卻并沒(méi)有較大變化，但是粗糙度增大到Ra=1.038 μm，不同滑移速率下，真實(shí)接觸面積比有較大變化，速率越大真實(shí)接觸面積比越小，說(shuō)明磨損越嚴(yán)重。如圖10b所示，當(dāng)載荷較大(20 N)，粗糙度較大(Ra=1.038 μm)時(shí)，起始階段真實(shí)接觸面積比較大，達(dá)到90%，這是因?yàn)榉勰┑奶钕缎?yīng)，接觸面微坑中儲(chǔ)存大量粉末形成粉末層，可以減小微凸體的直接作用。隨著進(jìn)入局部破壞擴(kuò)散階段，粉末層的填隙效應(yīng)逐漸消失，真實(shí)接觸面積比迅速減小。粗糙度較小時(shí)，填隙效應(yīng)不明顯，粉末黏附階段也不明顯，真實(shí)接觸面積比在起始階段變化快而在破壞擴(kuò)散階段變化較慢。

(a)載荷為5 N

(b)載荷為20 N圖10 載荷對(duì)真實(shí)接觸面積比影響的曲線Fig.10 Effection of load on the ratio of real area

2.3.4滑移速率

滑移速率對(duì)粉末潤(rùn)滑層的形成有較大的影響，壓力和剪切作用下形成的接觸表面粉末潤(rùn)滑層在不同滑移速率下潤(rùn)滑效果會(huì)具有較大差異。如圖11a所示，輕載(5 N)時(shí)，不同滑移速率下，起始階段(0～20 s)的真實(shí)接觸面積比基本無(wú)差距。而隨著速率的增大，真實(shí)面積比變化越大,這是因?yàn)樗俾试酱蠓勰┚植科茐臄U(kuò)散現(xiàn)象越明顯，粉末層被破壞得越嚴(yán)重。

如圖11b所示，重載(20 N)時(shí)，起始階段(0～20 s)，低速(0.1 m/s)時(shí)，界面的真實(shí)接觸面積比最大，達(dá)到90%，而中高速真實(shí)接觸面積比為84%，這一階段是局部破壞階段,試件的真實(shí)接觸面積比差距并不明顯。20～40 s時(shí)，速率為0.2 m/s、0.4 m/s試件的界面真實(shí)接觸面積比迅速減小，這一階段是粉末局部破壞擴(kuò)散階段，已有較多微凸體直接接觸，因此隨著速率的增大，微凸體與微凸體或者微凸體與粉末直接接觸，使得粉末嚴(yán)重破壞。40～50 s之后，中速率(0.2 m/s)下試件的真實(shí)接觸面積比變化反而減小，與低速率下基本一致，而高速率下試件的真實(shí)接觸面積比仍然下降較快。這可能是由于重載且粉末量較多時(shí)，這一階段主要是粉末黏附階段，速率較大時(shí)粉末層已經(jīng)嚴(yán)重磨損，即使粉末黏附效果較好但仍然是嚴(yán)重磨損階段。而中低速時(shí)，試件表面的粉末層破壞的并不嚴(yán)重同時(shí)粉末黏附作用效果也較好，因此試件表面的粉末層潤(rùn)滑效果相對(duì)較好。這說(shuō)明粉末潤(rùn)滑的接觸過(guò)程中，速率的大小對(duì)真實(shí)接觸面積有一定影響，尤其是載荷較大時(shí)，速率的影響更為明顯，速率越大，粉末層破壞越快，試件磨損越嚴(yán)重，因此能夠持續(xù)供給粉末，使黏附效應(yīng)存在，粉末潤(rùn)滑效果也較好。

(a)載荷為5 N

(b)載荷為20 N圖11 滑移速率對(duì)真實(shí)接觸面積比的影響曲線Fig.11 Effection of slip velocity on the ratio of real area

3 結(jié)論

(1)摩擦界面粉末層的破壞形式包括完整、局部區(qū)域破壞、局部破壞區(qū)域擴(kuò)散、粉末黏附、完全破壞5個(gè)階段。

(2)黏附階段存在的必要條件包括重載、試件表面粗糙，而粉末量、滑移速率的增大會(huì)引起黏附作用加劇。

(3)定量計(jì)算了不同工況的真實(shí)接觸面積比來(lái)表征粗糙度、粉末量、載荷、滑移速率對(duì)粉末層破壞過(guò)程的影響。

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